[논문 리뷰] Demonstration of an all-optical quantum controlled-NOT gate

Jeremy L. O’Brien, Geoff J. Pryde외 3명|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 08.

Quantum Information and Cryptography인용 수 43

한 줄 요약

이 논문은 선형 광학, 경고형 단광자 탐지, 양자 상태 토모그래피를 사용하여 모든 광학적 양자 CNOT 게이트를 구현한다. 게이트는 비고전적 간섭과 조건부 탐지를 통해 비결정적으로 작동하며, 네 가지 벨 상태를 모두 75% 이상의 품질로 성공적으로 생성하여 고품질의 얽힘과 스케일러블한 선형광학 양자계산에 필수적인 기능적 CNOT 작동을 확인한다.

ABSTRACT

The promise of tremendous computational power, coupled with the development of robust error-correcting schemes, has fuelled extensive efforts to build a quantum computer. The requirements for realizing such a device are confounding: scalable quantum bits (two-level quantum systems, or qubits) that can be well isolated from the environment, but also initialized, measured and made to undergo controllable interactions to implement a universal set of quantum logic gates. The usual set consists of single qubit rotations and a controlled-NOT (CNOT) gate, which flips the state of a target qubit conditional on the control qubit being in the state 1. Here we report an unambiguous experimental demonstration and comprehensive characterization of quantum CNOT operation in an optical system. We produce all four entangled Bell states as a function of only the input qubits' logical values, for a single operating condition of the gate. The gate is probabilistic (the qubits are destroyed upon failure), but with the addition of linear optical quantum non-demolition measurements, it is equivalent to the CNOT gate required for scalable all-optical quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 단지 선형 광학 장치와 단광자 탐지기만을 사용하여 功能적이고 고품질의 모든 광학 CNOT 게이트를 구현하는 것.
• 경고형 광자 탐지를 통한 조건부 작동을 실현하여 KLM가 제안한 스케일러블한 양자 계산을 가능하게 하는 것.
• 모든 최대 얽힘 상태인 네 가지 벨 상태에 대한 양자 상태 토모그래피를 통해 게이트 성능을 종합적으로 특성화하는 것.
• 다른 입력 논리 상태에 대해 재조정 없이 일관된 작동을 보여줌으로써 게이트의 안정성과 보편성을 검증하는 것.
• 벨 부등식 위반과 높은 해상도 간섭 무늬를 통해 실험적 증거를 제시하여 양자 얽힘을 입증하는 것.

제안 방법

• 공간적으로 인코딩된 광자 큐비트와 편광 분광기(PBS) 및 웨이브플레이트를 갖춘 막스-젠더러 간섭계를 사용하여 CNOT 게이트를 실현한다.
• 에너지가 동일한 광자 쌍을 생성하기 위해 자발적 비선형 주파수 분할을 사용한다.
• 동시 탐지(5 ns 창을 가진 공진도 탐지)를 통해 한 모드에서 각각 한 광자를 탐지함으로써 게이트 작동의 성공 여부를 경고한다.
• 컴퓨터 제어의 HWP와 QWP 시스템을 사용하여 두 큐비트의 밀도 행렬 재구성에 필요한 16개의 공동 측정 설정을 측정함으로써 양자 상태 토모그래피를 수행한다.
• 양자 비파괴 측정 원리를 적용하여 게이트가 KLM CNOT 프로토콜과 기능적으로 동일한지 확인한다.
• 신뢰도, 간섭 무늬의 해상도, 그리고 콘카르던스와 순수도와 같은 엽합 측정치를 사용하여 게이트 성능을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광자 소스와 탐지기만을 사용하여 선형 광학 시스템에서 결정적 CNOT 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ2 막스-젠더러 간섭계에서의 비고전적 간섭은 얼마나 높은 품질의 두 큐비트 얽힘을 가능하게 하는가?
• RQ3 재조정 없이 단일 고정된 게이트 구성으로 네 가지 모두의 벨 상태를 고품질로 생성할 수 있는가?
• RQ4 모드 매칭 오차와 입력 빔 조정 오차는 게이트의 품질과 얽힘 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실험적 실현이 KLM CNOT 프로토콜과의 기능적 동등성을 충분히 입증하는 데에 충분한가?

주요 결과

• 논리 기저에서 평균 성공률이 84%에 도달하였으며, 공진도 탐지를 통한 조건부 작동이 확인되었다.
• 비수직 기저에서 90%를 초월하는 간섭 무늬 해상도는 강한 양자 간섭과 비고전적 행동을 확인한다.
• 양자 상태 토모그래피를 통해 네 가지 모두의 벨 상태를 재구성하였으며, |Ψ⁻⟩에 대해 0.87 ± 0.08, |Φ⁺⟩에 대해 0.77 ± 0.09의 품질을 기록하여 네 상태 모두에서 75%를 초과하였다.
• 재구성된 밀도 행렬은 엽합의 명백한 징후를 보였으며, 모든 상태가 벨 부등식 위반 영역 내에 위치해 있었다.
• 다른 입력 상태에 대해 재조정 없이 24시간 동안 높은 안정성과 반복 가능성을 보였다.
• 주요 오차 원인은 제어 큐비트에 |1⟩ 상태가 포함된 경우에 특히 영향을 미치는 제어 큐비트 모드와 타겟 큐비트 모드 간의 모드 불일치로 규명되었다.